宁天城际盾构下穿国铁地基加固设计方案

庞振勇

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

宁天城际盾构下穿国铁地基加固设计方案

庞振勇

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

依托南京地铁S8宁天城际下穿宁启铁路工程，结合南京地质条件，研究新建地铁隧道下穿既有铁路线时，地铁隧道施工对既有铁路线的影响,提出在既有铁路线下方采用注浆加固的方法以规避风险，采用“桩+板”加固的方法预留后期铁路复线施工条件。研究结果表明，采用注浆加固时，地铁隧道双线贯通铁路线路最大沉降(6.9 mm)比不加固减小58.9%，铁路线路最大高低偏差(3 mm)，比不加固减小51.3%，采用“桩+板”加固预留铁路复线扩建条件，桩板结构最大变形及内力均能满足规范要求。

地铁隧道； 既有国铁路基； 铁路复线； 注浆加固； “桩+板”加固

1 研究背景

地铁隧道下穿既有铁路线路施工将会不可避免地影响铁路运营的安全性，另一方面规划铁路复线后期扩建也会对新建地铁隧道产生影响。既有的研究主要集中于新建地铁隧道对既有铁路路基变形的影响分析及控制既有铁路 线 变 形的措 施 研究。许有俊 等[1]利用FLAC3D软件，模拟了盾构下穿既有高速铁路施工全过程，探明了地铁隧道施工对既有铁路线沉降的影响规律；徐干成等[2]根据数值模拟验证地铁隧道下穿时，通过下穿段土体加固及盾构机掘进参数控制以减小既有铁路沉降的有效性。李林等[3]从现场测试入手，分析了盾构掘进过程中既有铁路路基变形规律。另外，还有大量相关的研究成果[4-12]。但关于地铁下穿既有铁路路基完成后，后期铁路复线扩建对新修隧道的影响及相应预留处理措施的研究成果较少。

南京地铁S8线宁天城际工程方州广场站至沈桥站区间，一方面需下穿既有宁启铁路路基及箱涵，另一方面地铁隧道运营后，需进行铁路复线扩建。这就必然导致既有地铁隧道、国铁线路和新建国铁复线之间产生相互影响，增加了工程的复杂性。笔者将从地铁隧道下穿既有铁路路基处理措施及地铁隧道修建时预留复线扩建条件入手展开研究，提出切实可行的地基加固方案。

2 工程概况

2.1 地铁隧道与既有铁路位置关系

宁天城际一期工程方州广场站至沈桥站区间，沿金江公路向北在里程K28+951处以4‰的坡度下穿既有宁启铁路线，左、右线分别从路基及宁启铁路箱涵下方穿过，地铁隧道与铁路呈83°角相交；地铁隧道采用土压平衡盾构施工，盾构内径5.5 m，外径6.2 m，管片幅宽1.2 m，错缝拼装。地铁隧道顶埋深约10 m，线间距约21 m，主要穿越粉质黏土层，地铁隧道与宁启铁路平面见图1，地铁隧道与既有宁启铁路剖面关系见图2。

图1 既有铁路与新修隧道位置关系平面Fig.1 Plane of existing railway and newly constructed tunnel

图2 既有铁路与新修隧道位置关系横剖面Fig.2 Cross section of existing railway and newly constructed tunnel

地铁施工完成后，既有宁启铁路将进行扩建复线施工，铁路扩建复线与地铁隧道相对位置关系平面见图3，铁路复线扩建后路基情况见图4。

图3 铁路复线与新修隧道位置关系平面Fig.3 Plane of expanded railway and newly constructed tunnel

图4 铁路复线扩建路基情况Fig.4 Expanded railway bed

2.2 工程地质

3 对既有铁路线变形的影响

3.1 对既有国铁线路沉降及轨道高低偏差影响

铁路列车运营对线路沉降有严格的要求，极小的差异性沉降也会对列车运营产生危害，盾构法地铁线路下穿时将不可避免地产生地层沉降。盾构下穿时沉降分为5个阶段产生[13-15]：盾构刀盘前方沉降；盾构通过时产生的沉降；盾尾脱环时产生的沉降；盾尾间隙产生沉降；盾构通过后的滞后沉降。

采用二维数值模拟，分析了不同地层损失率情况下，盾构隧道下穿对既有国铁线路沉降及轨道高低偏差的影响，计算结果见表1。

正常盾构掘进很难满足铁路线路的控制要求：相邻两轨道轨面距不大于6 mm，两轨道线间距变化为-3～5 mm。

表1 注浆加固前盾构施工对既有铁路路基影响

3.2 盾构掘进时国铁运营安全性分析

根据以上计算结果，选取地层损失率为8‰的情况，在原有不平顺基础上叠加施工沉降变形后进行了动力响应计算。计算目标为车速90、100 km/h的国铁列车及车速50、60 km/h的C62A型货车，计算结果如表2所示。

表2 车辆各轮对的脱轨系数和轮重减载率的最大绝对值

可以看出，脱轨系数的最大值均出现在线路变形范围之内，而且空载货车在时速60 km/h时，已有轮对超过0.8，时速100 km/h的客车虽然没有超出容许范围，但已经比较接近限值，说明线路的变形已影响了车辆的正常运行安全性。

综上所述，在盾构隧道下穿国铁既有路基施工过程中，需要采取必要的措施以控制国铁路基的沉降及轨道高低偏差。

4 铁路复线扩建对地铁隧道的影响

地铁隧道施工完成后进行铁路复线扩建将会对地铁隧道产生两方面的影响。

1) 铁路复线扩建施工时，地面超载及施工动荷载将会增大地铁隧道滞后沉降。

2) 铁路复线施工完成后，铁路运营时列车动荷载将会进一步增大地铁隧道滞后沉降。

若铁路复线扩建对地铁隧道影响产生的滞后沉降不加以控制，地铁隧道运营将会出现较大的风险。

综合以上既有铁路、新建地铁隧道及铁路复线扩建之间的相互影响，需要采取必要的措施来控制风险。

5 地层加固方案及效果

5.1 地层加固方案

5.1.1 注浆加固

宁天城际轨道交通下穿宁启铁路在既有铁路路基和涵洞下方采用注浆加固的方案，加固方案的平纵剖面如图5、6所示。

图5 地层加固方案平面Fig.5 Plan of grouting

图6 地层加固方案横剖面Fig.6 Profile of grouting

5.1.2 “桩+板”加固

地铁隧道施工完成后，进行铁路复线施工将会对新建地铁隧道产生不利影响，在下穿处为了减小扩建复线路基施工对新建隧道的影响，采用了“桩+板”加固方案，如图7、8所示。

图7 “桩+板”加固方案平面Fig.7 Plane of pile+plant reinforcement

图8 “桩+板”加固剖面Fig.8 Profile of pile + plant reinforcement

北侧混凝土板Ⅰ(宽×长,为11.40 m×17.45 m，混凝土强度C35)厚度1.3 m，为连续结构；南侧混凝土板Ⅱ(宽×长,为12.73 m×16 m)厚度1.5 m，托梁尺寸都为1.4 m×1.5 m；扩建涵洞下方混凝土板厚度为80 cm，并在框架涵洞底板与混凝土板之间设置50 cm 级配碎石，托梁尺寸为1.4 m×1.2 m，具体施工时桩板的布置按现场实际情况设置。

图9 旋喷桩加固过渡区剖面Fig.9 Profile of jet grouting pile

5.2 地层加固效果分析

5.2.1 注浆加固

为了检测注浆加固效果，进行注浆加固后，在列车荷载作用下，对左线隧道和双线隧道贯通后铁路线路的沉降情况进行现场监测，监测沉降曲线如图10所示。

图10 注浆加固后线路沉降情况Fig.10 Settlement of the railway bed influenced by tunnel construction after grouting

左线隧道和双线隧道贯通后线路最大沉降及高低偏差见表3。分析表中数据可知，地基加固后线路变形将大幅减小；双线贯通后，盾构施工引起的线路最大沉降为未加固(地层损失率8‰)时的58.9%，最大高低偏差为未加固时的51.3%。

表3 线路最大沉降及高低偏差

5.2.2 “桩+板”加固

为了检验“桩+板”的加固效果，进行了“桩+板”加固区域桩板结构内力及位移计算。

1) 桩顶反力计算。基本思路：采用空间壳模型来计算钢筋混凝土的桩顶反力，上部荷载根据换算土柱均布到壳单元的表面，采用SAP软件进行反力计算，其中桩的位置采用点约束，计算结果如图11、12所示。

图11 “桩+板”加固Ⅰ区域桩顶反力Fig.11 Counter force of pile+ plant sectionⅠ

图12 “桩+板”加固Ⅱ区域桩顶反力Fig.12 Counter force of pile+ plant section Ⅱ

计算结果表明，桩顶反力最大值发生在“桩+板”加固 Ⅰ 区域的中排桩上(见图11)，最大值为5 475 kN。

2) 桩基沉降计算。钻孔灌注桩桩尖已进入K2c-3中风化泥质砂岩中，因此对于桩基的沉降只考虑桩体本身的压缩沉降，有

(1)式中，Sp为桩体本身压缩沉降量，mm；μp为应力集中系数，本文取1.1；l为桩身长度，mm；Ep为桩身材料变形模量，MPa；pbo为桩底端承应力(由地勘资料获得)，MPa；p为桩顶应力(由桩顶反力除以桩顶面积得出)，MPa。

按照最不利情况，即不考虑桩间土对上部荷载的分担作用，而完全由桩承担，计算得出桩的最大压缩沉降为4.1 mm。

3) 桩基承载力检算。根据《铁路桥涵地基与基础设计规范》(TB 1002.5—2005)中关于钻孔灌注桩容许承载力的计算公式，可得到钻(挖)孔灌注桩的容许承载力

(2)

式中，[P]为桩的容许承载力，kN；U为桩身截面周长，m；fi为各土层极限摩阻力，kPa；li为各土层的厚度，m；A为桩底支承面积，m2；[σ]为桩底地基土的容许承载力，kPa；m为桩底支撑力折减系数，本文取0.4。

经计算得钻孔灌注桩的容许承载力为6 571.6 kN，考虑盾构隧道开挖引起的桩基承载力的损失，即不考虑破裂面范围内的桩基承载力，折减后钻孔灌注桩容许承载力为5 753.4 kN，最大反力为5 475 kN，可满足承载力要求。

4) 盾构隧道施工对桩基变形影响分析。选择离隧道最近的4排桩，并对每排桩中变形最大的桩进行分析，各排桩最大的水平变形见图13。

由图可知，隧道施工完成后桩基最大水平变形发生在第4排桩，水平变形为5.5 mm，盾构施工对桩基影响相对较小。

5) 扩建复线施工对隧道变形影响分析。扩建复线路基施工引起的隧道上方土体沉降量如图14所示。

图13 地铁隧道完成后桩基水平位移Fig.13 Horizontal displacement of the pile with tunnel completed

在扩建复线路基施工荷载作用下，左、右线隧道的最大沉降和最小曲率半径如表4所示。

图14 地铁隧道左、右线沉降Fig.14 Settlement of the twin tunnel

表4 隧道最大沉降及最小曲率半径

由图表可知，采用“桩+板”加固后，扩建路基施工对新建盾构隧道影响很小，最大隧道变形不到5 mm，能够满足工程活动对地铁隧道的附加位移量的限制(地铁隧道的最大位移量不大于±20 mm，地铁隧道变形的曲率半径控制指标R不小于15 000 m)。

6 盾构掘进控制措施

地铁盾构下穿国铁路基施工时，还需采取相应的控制措施。

1) 调整盾构机掘进参数，保持盾构刀盘前方水土压力与盾构土仓压力的动态平衡，减小超、欠挖引起的地层位移。

2) 严格进行同步注浆，必要时进行二次注浆，减小盾壳与土层间间隙对地层沉降的影响。

3) 控制盾构机掘进姿态，防止盾构机上浮或下沉引起地层竖向位移。

4) 在盾构隧道掘进过程中进行实时沉降监测，根据监测数据实时优化盾构机掘进参数，做到动态化施工。

7 结论与建议

1) 盾构在宁启线既有路基和涵洞下方穿越采用注浆加固后，地铁隧道双线贯通后铁路路基最大沉降为6.9 mm，铁路轨道最大高低偏差3 mm，结果表明,注浆加固的方法可以有效降低盾构施工对线路的影响。

2) 宁启线新建线路下方推荐采用“钻孔灌注桩+梁板结构”的加固方案时，一方面地铁隧道施工引起的桩基水平变形为5.5 mm，另一方面铁路复线扩建引起的地铁隧道最大沉降为4.28 mm，结果表明，“钻孔灌注桩+梁板”加固可以为铁路隧道复线扩建提供良好的条件。

3) 建议扩建复线铁路地基处理(包括涵洞的地基处理)能与地铁下穿加固结合在一起施工。

4) 考虑到扩建复线施工对新建隧道影响以及运营期间两者的相互作用，建议穿越处盾构管片按深埋配筋，纵向加强配筋范围为扩建线路坡脚外3环管片。

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(编辑：郝京红)

Foundation Reinforcement Design of Metro Shield Tunnel Crossing underneath Existing National Railway

PANG Zhenyong

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

Nanjing Metro S8 was used as a case to study the settlement of a railway foundation caused by the construction of the shield tunnel, and the influence of the expanded railway construction on the newly constructed subway tunnel. The author proposes that grouting should be used to reinforce the existing railway foundation and use pile + plate to reserve space for the construction of the expanded railway foundation. The result shows that the largest settlement of the existing railway foundation is 6.9mm after grouting reinforcement when the subway tunnel is completed, reducing 58.9% than conducting no measures; the largest line elevation difference is 3mm, reducing 51.3%. On the other hand, the largest deformation and internal force can meet the requirement of specification by using pile + plate reinforcement to reserve space for the construction of the expanded railway foundation.

subway tunnel; foundation of existing railway; double track railway; grouting reinforcement; pile+plate reinforcement

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.018

2016-10-20

2016-11-28

庞振勇，男，硕士，高级工程师，从事轨道交通结构设计研究工作，41676902@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)01-0087-07